济南金力液压机械有限公司

对于在深水中作业的自升式平台，腿部穿透是更大的事故风险。当平台进行预压插桩作业时，桩靴遇到具有硬上层和软下层的层状地基，其很可能穿透硬上层并进入软下层，从而形成“穿刺”现象(图1)。光线会导致平台迅速倾斜，造成人员伤亡和设备损坏，而光线较重甚至会导致平台整体倾覆。国际健康、安全与环境会议(健康、安全与环境会议)通过多年来自升式钻井平台基础相关事故的统计发现，穿刺损伤的比例很高，约占事故总数的53%，每年以1-2起事故的速度增加，每起事故造成的经济损失约为100万-1000万美元。

图1:自升式平台穿刺示意图

在传统的设计和操作中，自升式平台的压载操作要求主船体上升到水面以上一定高度，以确保波浪不会撞击平台底部。然而，如果发生穿孔，平台将会由于快速倾斜而损坏。如果平台压在压载水表面附近，在穿孔的情况下，可以通过海水浮力来减小穿孔的距离和速度，以减小平台结构的损坏程度。因此，水动力加载方法正在逐步尝试。例如，对于作业水深为400英尺的自升式平台，海上油气勘探公司的作业程序规定，预加载时平台主体距离海面0.5米以上。然而，水动力载荷受波浪条件的影响很大，风险很高。平台体靠近海面，易受波浪冲击载荷的影响，波浪冲击载荷会影响桩腿、船体局部结构、提升系统等。并且在恶劣条件下会损坏平台结构。因此，如何确定脉动压载合理的允许海况是一个亟待解决的问题。

为了解决这一问题，中国船级社对自升式平台在水动力加载过程中的性能进行了详细的研究，提出了自升式平台水动力加载性能的计算理论和方法。打桩过程中平台的状态模拟为弹簧约束的浮体。采用三维势流理论，综合考虑二阶波浪力和水位波动引起的局部砰击等非线性现象，计算了一定吃水和正气隙两种状态下随机波的短期预测运动响应和波浪载荷。然后分别计算桩腿强度、船体强度、砰击强度和提升系统强度，找出平台系统的临界极限承载力。通过迭代搜索最终确定平台的水动力载荷极限海况。

图2:两种流体动力载荷条件

值得一提的是，我们使用不同的理论来研究平台的不同压载状态。当平台压载尚未脱离水面时，波浪绕射效应明显，应采用波浪绕射理论计算波浪力。与常规水动力分析不同，由于平台吃水浅，自由水面的波动对湿表面积和动水压力有显著影响。线性衍射理论不能用来有效计算平台体的压力分布。因此，应使用二阶衍射理论来计算波浪压力。当平台体完全升出水面但接近水面时，除了入射波产生的动态水压外，还需要进一步考虑波浪对平台体的拍击效应。对于波浪砰击问题，由于涉及到很强的非线性和不确定性，目前是工业上的一个难点，通常采用理论计算和实验相结合的方法。理想的计算方法是采用计算流体动力学方法，该方法具有严格的理论基础，可以考虑流体粘度和空气压缩对波浪砰击的影响。然而，由于计算效率的限制，该方法不适用于形状复杂、尺寸较大的结构，在实际工程应用中有很大的局限性。因此，为了满足实际工程的需要